CN106828918B - 一种三翼面垂直起降飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三翼面垂直起降飞行器，具有该气动布局的飞行器兼有一般多轴飞行器良好的飞行稳定性、较强的适应性和常规固定翼飞行器较快的飞行速度。飞行器机翼弦线和机身轴线与重力方向平行，三个翼面互成120度夹角，每个翼面外端连接有一台涵道风扇发动机；机身外形类似椭圆形旋转体的一部分，机翼为NACA0013对称翼型的矩形机翼，翼展500mm，弦长180mm，机身与弦长相等，机翼与机身以均布方式相连。飞行器可以像三轴飞行器那样，以良好的飞行稳定性在狭小的空间内飞行，采用涵道动力式布局可以避免一般螺旋桨式动力布局螺旋桨碰到障碍物后坠毁的发生，更能凸显其在复杂环境下执行任务的能力。

Description

一种三翼面垂直起降飞行器
技术领域
本发明涉及一种三翼面垂直起降飞行器气动布局，其可以被广泛应用于军事及民用领域。
背景技术
与常规固定翼飞行器和直升机相比，垂直起降飞行器可以不受场地的限制进行垂直起飞和降落，有许多突出的优点和显明的战略、战术价值。但是，由于飞行器以及动力装置尚存在许多难以克服的技术难题，其性能仍需要进一步改善。由冯健申请的中国专利CN202337361 U，提出了一种三轴飞行器，其固定架的三轴呈“人”字形，并且轴与轴之间的夹角都大于或者等于120度，在三个轴的外端都设有螺旋桨动力，通过控制系统来控制三个螺旋桨的转速差以实现飞行器的垂直起降和飞行。由于该飞行器巡航时一直需要发动机产生升力，飞行时的能耗比常规固定翼大，并且巡航速度较低。吴俊琦的2009年硕士学位论文《四桨动力布局在十字升力体上的一体化设计与启动特性研究》，提出一种十字形升力体即两个矩形直机翼垂直相交成十字启动布局，在十字机翼前缘分布有四个螺旋桨动力装置，垂直起降类似多轴飞行器，巡航飞行时倾转一定角度，使机翼与飞行方向基本平行，由机翼提供的升力抵消飞行器自重。但十字升力体布局有两个机翼组成，巡航飞行时的飞行阻力较大，飞行时的能耗较大。
发明内容
针对现有垂直起降飞行器结构复杂、成本高、稳定性差等问题，本发明提供一种三翼面垂直起降飞行器气动布局，具有该气动布局的飞行器兼有一般多轴飞行器良好的飞行稳定性、较强的适应性和常规固定翼飞行器较快的飞行速度。
本发明的技术方案是：飞行器机翼弦线和机身轴线与重力方向平行，三个翼面互成120度夹角，每个翼面外端连接有一台涵道风扇发动机；机身外形类似椭圆形旋转体的一部分，机翼为NACA0013对称翼型的矩形机翼，翼展500mm，弦长180mm，机身与弦长相等，机翼与机身以均布方式相连。
飞行器的起飞、降落和悬停模式类似三轴飞行器(以下简称该模式为三轴飞行器模式)，该飞行器没有起落架，起飞时用手提起飞行器，当发动机推力达到一定推力时松开即可起飞；这时候三个翼面不提供升力，主要靠翼面外端的三个涵道风扇发动机提供的推力来克服飞行器的自重；此过程中两台发动机风扇旋转方向相同，另外一台相反，风扇旋转方向相反的这台发动机向一侧倾斜一定角度，使其推力产生一个与该翼面方向垂直的一个分力，以此解决由三个涵道风扇旋转带给飞行器对重心的扭矩不平衡问题。降落时，飞行器直接降落到地面，机翼垂直与地面接触。
飞行器可以像三轴飞行器那样，以良好的飞行稳定性在狭小的空间内飞行，采用涵道动力式布局可以避免一般螺旋桨式动力布局螺旋桨碰到障碍物后坠毁的发生，更能凸显其在复杂环境下执行任务的能力。
垂直起飞之后，一台发动机逐渐减小推力，此时飞行器开始倾转并产生水平移动速度，在倾转的过程中两个机翼按照设定由驱动装置驱动后开始分别绕着定轴旋转到与另一机翼垂直的位置，最终过渡到依靠机翼提供升力、发动机提供牵引力的固定翼飞行模式，此固定翼飞行模式可以填补三轴飞行器模式升力与发动机推力之比较小造成的飞行效率低和飞行速度较慢的不足，从而延长了续航时间、增加了航程。
本发明有益效果是：从气动布局和动力分布上看，该飞行器即可以以一般三轴飞行器起降和飞行模式进行垂直起降、空中悬停和任务飞行，又可以以固定翼模式进行巡航飞行；该发明发动机分布在机翼外端，对机身的力矩大，通过对三台发动机的推力的控制，很容易实现对飞行器飞行中的6个自由度(沿空间坐标x、y、z方向的移动和绕三个坐标的转动)的控制，这比固定翼飞行器通过控制各舵面上的气动力来控制飞行器6个自由度要容易得多，特别是在低速情况下各舵面气动力较小时其优势更加突出，这说明具有该气动布局的飞行器具有良好的稳定性并且易于操控；在狭小空间内执行任务时，要求飞行的速度很低甚至飞行器要悬停，固定翼飞行器在这种低速要求下机翼产生的升力难以平衡自重以致无法完成飞行任务，所以与固定翼飞行器相比，该发明不易受环境限制，能在狭小的空间内灵活自如地飞行，有较强的环境适应能力；在巡航飞行时，由于三轴飞行器没有能产生升力的机翼，其三个发动机不但要提供前行牵引力还要提供平衡重力的升力，且发动机推重比始终要大于1，发动机的大部分推力都用来提供升力，此时的能源消耗比较大，而该发明可以像常规固定翼飞行器那样让发动机完全输出为前行的牵引力，此时不需要发动机提供大于自重的推力，让机翼产生平衡重力的升力，在发动机总输推力和飞行器总重一定的情况下，该发明具有较大的飞行牵引力(图1所示为飞行器总重10N，飞行器牵引力随发动机输出推力变化的比较)，节省了能源，可以以较高的速度进行巡航飞行，从而延长续航时间、增加航程。
附图说明
图1为飞行器牵引力随发动机输出推力变化的比较；
图2为三翼面垂直起降飞行器结构的正视图；
图3为三翼面垂直起降飞行器结构的俯视图；
图4为三翼面垂直起降飞行器结构的右视图；
图5为三翼面垂直起降飞行器结构的等轴侧视图；
图6为三翼面垂直起降飞行器机翼旋转示意图；
图7为三翼面垂直起降飞行器巡航飞行时结构的等轴侧视图；
图中：1—涵道风扇I，2—涵道发动机I，3—机翼(有翼型)I，4—机身，5—机翼П，6—涵道风扇П，7—涵道发动机，8—机翼Ш，9—涵道风扇Ш，10—涵道发动机Ш。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述，图1—图4显示了整体气动布局及其主要部件；图5显示了飞行器由垂直飞行模式转换到巡航平飞过程中机翼旋转示意图；图6显示了飞行器巡航时的等轴侧视图。
如图1所示，垂直起飞阶段机翼翼面垂直于地面，三个机翼互成120度夹角，三个涵道风扇转速相同，三个涵道发动机产生垂直于地面相等大小的推力，涵道风扇1顺时针旋转，涵道风扇6逆时针旋转，涵道风扇9顺时针旋转，涵道发动机10沿机翼8轴线(如图5所示)向右偏转一定角度以抵消由于涵道风扇旋转带给飞行器重心的旋转力矩，当涵道发动机产生的推力大于或等于机体重力时飞行器开始脱离地面垂直起飞。
起飞后飞行器开始过渡到水平飞行模式进行巡航飞行，如图5所示涵道风扇9转速开始逐渐下降，这时机体开始倾转，同时机翼3和机翼5开始分别沿与机身轴线平行的轴向机翼8偏转30度到达与机翼8相垂直的位置，过渡完成后的姿态如图6所示，此过程中涵道发动机10沿机翼8轴线(如图5所示)的偏转角自动调节其偏转角，以自动配平三个涵道风扇转动带来的反扭矩；通过改变涵道风扇9的转速来控制此飞行模式飞行器的俯仰，通过控制涵道风扇1和涵道风扇6的转速差可以起到常规飞行器垂尾转弯的作用，还可以通过调节涵道发动机10的偏转角使机体沿机身轴线旋转，可以起到常规飞行器副翼的作用以调节飞行姿态。
到达任务区后，涵道风扇9转速逐渐增加，机体开始沿反方向倾转，倾转直到机翼垂直于地面，这时飞行器开始向垂直起飞模式转变，同时机翼3和机翼5也开始向反方向偏转30度到达机翼互成120度的位置，最终三个涵道风扇转速相同，三个发动机推力相等，合力的大小等于机体重力，飞行器进入空中悬停模式；当改变涵道发动机10沿机翼8轴线(如图5所示)偏转角时，机体就会沿机身4轴线旋转以调整飞行方向，当减小涵道发动机2的推力、增大涵道发动机7的推力使得三个发动机的产生的合力有水平向左的分力时飞行器开始向左偏航飞行，向右偏航的原理类似；当增大或减小涵道发动机10的推力时，可以控制飞行的俯仰来控制向前或向后飞行。

Claims (1)

1.一种三翼面垂直起降飞行器，飞行器机翼弦线和机身轴线与重力方向平行，三个机翼互成120度夹角，每个机翼外端连接有一台涵道风扇发动机；机身外形类似椭圆形旋转体的一部分，机翼为NACA0013对称翼型的矩形机翼，翼展500mm，弦长180mm，机身与弦长相等，机翼与机身以均布方式相连，该飞行器具有如下特征：
·垂直起飞时，三个机翼不提供升力，用手提起飞行器，三个涵道风扇发动机转速相同，当涵道发动机产生垂直于地面的推力达到能克服飞行器的自重时松开即可起飞；第一和第二涵道风扇发动机涵道风扇顺时针旋转，第三涵道风扇发动机涵道风扇逆时针旋转，第一涵道风扇发动机向一侧倾斜一定角度，使其推力产生一个与该翼面方向垂直的一个分力，以此解决由三个涵道风扇旋转带给飞行器对重心的扭矩不平衡问题；
·起飞后飞行器开始过渡到水平飞行模式进行巡航飞行，其中第一涵道风扇发动机转速开始逐渐下降，机体开始倾转，同时第二第三涵道风扇发动机内端的第二和第三机翼开始分别沿与机身轴线平行的轴向第一涵道风扇发动机内端的第一机翼偏转30度到达与第一机翼相垂直的位置，过渡完成过程中第一涵道风扇发动机沿第一机翼轴线的偏转角自动调节其偏转角，以自动配平三个涵道风扇转动带来的反扭矩；通过改变第一涵道风扇发动机的转速来控制此飞行模式飞行器的俯仰，通过控制第二第三涵道风扇发动机的转速差可以起到常规飞行器垂尾转弯的作用，还可以通过调节第一涵道发动机的偏转角使机体沿机身轴线旋转，可以起到常规飞行器副翼的作用以调节飞行姿态；
·第一涵道风扇发动机转速逐渐增加，机体开始沿反方向倾转，倾转直到机翼垂直于地面，这时飞行器开始向垂直起飞模式转变，同时第二和第三机翼也开始向反方向偏转30度到达三个机翼互成120度的位置，最终三个涵道风扇发动机转速相同，三个涵道风扇发动机推力相等，合力的大小等于机体重力，飞行器进入空中悬停模式；
·降落时，飞行器直接降落到地面，机翼垂直与地面接触。
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